(57)【要約】  直流電圧が入力され、所定の値に制御された直流電圧を出力するコンバータ部１０（第一の電力変換部）と、前記コンバータ部１０の出力側に接続され、電動機４０を駆動するインバータ部３０（第二の電力変換部）とからなる電気車の電力変換装置において、前記コンバータ部１０は、その入力電圧に基づき前記コンバータ部１０の出力電圧の状態を操作する制御指令である出力電圧指令ＶＲＥＦを生成するコンバータ制御部１４（第一の制御部）を有する。
2011021265.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流電圧が入力され、所定の値に制御された直流電圧を出力する第一の電力変換部と、前記第一の電力変換部の出力側に接続され、電動機を駆動する第二の電力変換部とからなる電気車の電力変換装置において、
前記第一の電力変換部は、その入力電圧に基づき前記第一の電力変換部の出力電圧の状態を操作する制御指令を生成する第一の制御部を有すること、
を特徴とする電気車の電力変換装置。
【請求項２】
前記制御指令は、前記第一の電力変換部の出力電圧の指令である出力電圧指令であることを特徴とする請求項１に記載の電気車の電力変換装置。
【請求項３】
前記制御指令は、前記第一の電力変換部の出力電流の指令である出力電流指令であることを特徴とする請求項１に記載の電気車の電力変換装置。
【請求項４】
直流電圧が入力され、所定の値に制御された直流電圧を出力する第一の電力変換部と、前記第一の電力変換部の出力側に接続され、電動機を駆動する第二の電力変換部とからなる電気車の電力変換装置において、
前記第二の電力変換部は、前記第一の電力変換部の入力電圧が入力され、前記第一の電力変換部の入力電圧に基づいて、前記電動機のトルクを制御すること、
を特徴とする電気車の電力変換装置。
【請求項５】
前記第一の制御部は、前記入力電圧が増加した場合に、前記第一の電力変換部の出力電圧が増加するように前記制御指令を操作する構成としたことを特徴とする請求項１に記載の電気車の電力変換装置。
【請求項６】
前記第一の制御部は、前記入力電圧が所定値以下である場合、前記制御指令を第一の設定値とし、前記入力電圧が前記所定値を超過した場合、超過した量に基づいて前記制御指令を前記第一の設定値よりも大きい第二の設定値とすることを特徴とする請求項１に記載の電気車の電力変換装置。
【請求項７】
前記第一の制御部は、前記第一の電力変換部を通過する電力の方向が、前記第一の電力変換部の出力側から入力側への方向のときのみ、前記第一の電力変換部の入力電圧が増加した場合に、前記制御指令を操作する構成としたことを特徴とする請求項１に記載の電気車の電力変換装置。
【請求項８】
前記第二の電力変換部は、その入力電圧が増加した場合、前記電動機のトルクを減少させるように回生トルク絞込み制御を実施する第二の制御部を有したことを特徴とする請求項１に記載の電気車の電力変換装置。
【請求項９】
前記第二の制御部は、前記第一の電力変換部の入力電圧が入力され、前記第一の電力変換部の入力電圧が所定値より上昇した場合に、前記電動機のトルクを減少させるように回生トルク絞込み制御を実施することを特徴とする請求項４に記載の電気車の電力変換装置。
【請求項１０】
前記第二の制御部は、前記第二の電力変換部を通過する電力の方向が、前記第二の電力変換部の出力側から入力側への方向のときのみ、前記第一の電力変換部の入力電圧が増加した場合に、前記回生トルク絞込み制御を実行する構成としたことを特徴とする請求項９に記載の電気車の電力変換装置。
【請求項１１】
前記第一の制御部は、前記入力電圧が所定の値よりも低下した場合に、前記制御指令を操作する構成としたことを特徴とする請求項１に記載の電気車の電力変換装置。
【請求項１２】
前記第一の制御部は、前記入力電圧が所定値以上である場合、前記制御指令を第三の設定値とし、前記入力電圧が前記所定値を下回った場合、下回った量に基づいて前記制御指令を前記第三の設定値よりも小さい第四の設定値とすることを特徴とする請求項１に記載の電気車の電力変換装置。
【請求項１３】
前記第一の制御部は、前記第一の電力変換部を通過する電力の方向が、前記第一の電力変換部の入力側から出力側への方向のときのみ、前記第一の電力変換部の入力電圧が所定の値よりも低下した場合に、前記制御指令を操作する構成としたことを特徴とする請求項１に記載の電気車の電力変換装置。
【請求項１４】
前記第二の電力変換部は、その入力電圧が所定の値より低下した場合、前記電動機の力行トルクを減少させるように制御を実施する第二の制御部を有したことを特徴とする請求項１に記載の電気車の電力変換装置。
【請求項１５】
前記第二の制御部は、前記第一の電力変換部の入力電圧が入力され、前記第一の電力変換部の入力電圧が所定値より低下した場合に、前記電動機の力行トルクを減少させるように力行トルク低減制御を実施することを特徴とする請求項４に記載の電気車の電力変換装置。
【請求項１６】
前記第二の制御部は、前記第二の電力変換部を通過する電力の方向が、前記第二の電力変換部の入力側から出力側への方向のときのみ、前記第一の電力変換部の入力電圧が所定値より低下した場合に、前記力行トルク低減制御を実行する構成としたことを特徴とする請求項１５に記載の電気車の電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気車の推進制御に供される電力変換装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般に電気車は、架線からの電力を集電装置で取り入れ、取り入れた電力を使用してインバータ装置等の電力変換装置で電動機を駆動して走行する構成としている。車両にブレーキをかけるときは、電動機を回生運転してブレーキ力を得る、いわゆる回生ブレーキが用いられる。このとき発生する回生電力は、架線や第三軌条等を介して、自車付近に存在する他の力行車両や車両の負荷へ供給され、そこで消費されることになる。【０００３】
ただし、早朝、夜間や、列車の運行本数の少ない閑散線区では、自車付近に他の車両が存在しない（回生負荷が不足する）場合が発生し、回生ブレーキにより発生した回生電力が十分に消費されない場合がある。他の車両で消費される電力よりも自車の回生電力が大きくなると架線電圧が上昇することになり、架線に接続される種々の機器を過電圧でトリップさせたり破損する恐れがある。【０００４】
従って、電気車に搭載されるインバータ装置は架線電圧等（架線電圧または架線電圧に相当する例えば、インバータ装置の入力側のフィルタコンデンサ電圧）を検出する電圧検出器を有しており、架線電圧等が上昇して所定値を超過した場合に、回生ブレーキ力を抑制して回生電力の発生を抑制する制御を行い、架線電圧等を規定値以上に上昇させない回生絞込み制御を動作させる。【０００５】
ここで、第二の電力変換部であるインバータ装置の入力電圧仕様が架線電圧よりも低い場合（例えば６００Ｖ仕様）においては、インバータ装置の入力側に第一の電力変換部であるコンバータ装置を接続して、このコンバータ装置を用いて架線電圧を降圧、定電圧制御してインバータ装置に電圧を供給する主回路構成とする場合が考えられる。【０００６】
例えば、架線電圧の公称値がＤＣ１５００Ｖのシステムにおいて、コンバータ装置でその出力電圧をＤＣ６００Ｖ程度まで降圧して定電圧制御し、前記インバータ装置にこれを入力する構成がある（例えば、下記特許文献１）。【０００７】
このような主回路構成のシステムにおいては、回生負荷が不足して架線電圧が上昇した場合においても、コンバータ装置の出力電圧が一定に維持されるよう定電圧制御されるため、インバータ装置の入力電圧が変化せず、回生絞込み制御が動作しない。そのため、回生電力が過剰となり、コンバータ装置の入力電圧が上昇、コンバータ装置の入力が過電圧となって、コンバータ装置が過電圧検知してトリップしたり、架線に繋がる機器を損傷する可能性がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００２−２５２９０２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、上記特許文献１に示されるシステムには、インバータ装置の入力が架線電圧であり、架線電圧をコンバータ装置で降圧しインバータ装置へ入力する際の回生絞込み制御の方法が開示されていない。【００１０】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、インバータ装置の入力側に第一の電力変換部であるコンバータ装置を接続して、このコンバータ装置を用いて架線電圧を降圧、定電圧制御してインバータ装置に電圧を供給する主回路構成である場合において、好適な回生絞込み制御を行うことを可能とする電気車の電力変換装置を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、直流電圧が入力され、所定の値に制御された直流電圧を出力する第一の電力変換部と、前記第一の電力変換部の出力側に接続され、電動機を駆動する第二の電力変換部とからなる電気車の電力変換装置において、前記第一の電力変換部は、その入力電圧に基づき前記第一の電力変換部の出力電圧の状態を操作する制御指令を生成する第一の制御部を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
この発明によれば、インバータ装置の入力側に第一の電力変換部であるコンバータ装置を接続して、このコンバータ装置を用いて架線電圧を降圧、定電圧制御してインバータ装置に電圧を供給する主回路構成である場合において、好適な回生絞込み制御を行うことができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】図１は、本発明の実施の形態１における電気車の電力変換装置の構成例を示す図である。
【図２】図２は、本発明の実施の形態１におけるコンバータ制御部の構成例を示す図である。
【図３】図３は、本発明の実施の形態１におけるインバータ制御部の構成例を示す図である。
【図４】図４は、本発明の実施の形態２における電気車の電力変換装置の構成例を示す図である。
【図５】図５は、本発明の実施の形態２におけるインバータ制御部の構成例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下に、本発明にかかる電気車の電力変換装置の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
【００１５】
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１における電気車の電力変換装置の構成例を示す図である。図１に示すように、図示しない変電所からの電力は、架線１から集電装置２を介して、第一の電力変換部であるコンバータ部１０に入力される。コンバータ部１０からのリターン電流は、車輪３を経由してレール４に接続され、図示しない変電所の負側へ戻る。
【００１６】
コンバータ部１０は、リアクトル１１とコンデンサ１２からなる入力フィルタと、入力フィルタの後段に接続されたコンバータ回路１３と、第一の制御部であるコンバータ制御部１４とからなる。なお、コンバータ回路１３は、双方向昇降圧チョッパ回路が好適であり、その回路構成は公知であるので割愛する。またコンバータ回路１３には、その出力電圧や電流を平滑化するためのリアクトルやコンデンサからなる出力フィルタ回路を含む場合が一般的である。
【００１７】
コンバータ制御部１４には、コンバータ部１０の入力電圧ＥＳＤと、コンデンサ１２の電圧ＥＦＣＤと、コンバータ回路１３の出力電圧ＢＥＳとが入力され、コンバータ制御部１４は、コンバータ回路１３の内部のスイッチング素子への制御信号ＧＤを出力する。
【００１８】
コンバータ制御部１４は、コンバータ回路１３の出力電圧ＢＥＳが所定の値となるように制御する。詳細は後述する。
【００１９】
コンバータ部１０の出力には、第二の電力変換部であるインバータ部３０が接続される。インバータ部３０は、リアクトル３１とコンデンサ３２からなる入力フィルタと、入力フィルタの後段に接続されたインバータ回路３３と、第二の制御部であるインバータ制御部３４ａとからなる。なお、インバータ回路３３は、電圧形ＰＷＭインバータ回路が好適であり、その回路構成は公知であるので割愛する。
【００２０】
インバータ制御部３４ａには、インバータ部３０の入力電圧ＥＳとコンデンサ３２の電圧ＥＦＣと、インバータ回路３３の出力電流ＩＭとが入力され、インバータ制御部３４ａは、インバータ回路３３の内部のスイッチング素子への制御信号ＧＩを出力する。
【００２１】
インバータ制御部３４ａは、後述する電動機４０がトルク指令どおりのトルクを発生するように、インバータ回路３３の出力電流と出力電圧を制御する。詳細は後述する。
【００２２】
次に、コンバータ制御部１４の構成を説明する。図２は、本発明の実施の形態１におけるコンバータ制御部１４の構成例を示す図である。コンバータ制御部１４には、コンデンサ電圧ＥＦＣＤまたは入力電圧ＥＳＤが入力される。コンバータ制御部１４は、第一の電力変換部の出力電圧の状態を操作する制御指令である出力電圧指令ＶＲＥＦを生成する電圧指令演算部１５と、出力電圧指令ＶＲＥＦに基づき、コンバータ部１０の出力電圧ＢＥＳが出力電圧指令ＶＲＥＦに一致するように電圧制御を行う電圧制御部１６と、から構成される。
【００２３】
電圧指令演算部１５は、例えば、コンデンサ電圧ＥＦＣＤが１７５０Ｖ以下の領域では、出力電圧指令ＶＲＥＦを、通常値であり第一の設定値である６００Ｖとする。
【００２４】
また、電圧指令演算部１５は、例えば、コンデンサ電圧ＥＦＣＤが１７５０Ｖを超過した場合、出力電圧指令ＶＲＥＦを６００Ｖから増加させ、コンデンサ電圧ＥＦＣＤが１８００Ｖとなると、出力電圧指令ＶＲＥＦを第二の設定値である７００Ｖまで増加させる。
【００２５】
なお、各数値は一例であり、これに限定されるものではなく、コンデンサ電圧ＥＦＣＤあるいは入力電圧ＥＳＤが所定の値を超過した場合に、出力電圧指令ＶＲＥＦを増加させる構成であればよい。
【００２６】
次に、インバータ制御部３４ａの構成を説明する。図３は、本発明の実施の形態１におけるインバータ制御部３４ａの構成例を示す図である。インバータ制御部３４ａには、コンデンサ電圧ＥＦＣあるいはインバータ部３０の入力電圧ＥＳが入力される。インバータ制御部３４ａは、コンデンサ電圧ＥＦＣあるいは入力電圧ＥＳに基づいてトルク絞込み量ＶＤＴを生成する回生絞込み量演算部３５ａと、図示しない外部の制御部で生成された回生ブレーキトルクの要求値である要求トルクＰＴＲＳからトルク絞込み量ＶＤＴを減算してトルク指令ＰＴＲとして出力する減算器３６と、トルク指令ＰＴＲに基づいて、電動機４０がトルク指令ＰＴＲどおりの回生トルクを発生するようにトルク制御を行うトルク制御部３７と、から構成される。
【００２７】
回生絞込み量演算部３５ａは、例えば、コンデンサ電圧ＥＦＣあるいは入力電圧ＥＳが６５０Ｖ以下の領域では、トルク絞込み量ＶＤＴをゼロとする。この場合、要求トルクＰＴＲＳ＝トルク指令ＰＴＲとなる。
【００２８】
また、回生絞込み量演算部３５ａは、例えば、コンデンサ電圧ＥＦＣあるいは入力電圧ＥＳが６５０Ｖ以上の領域では、トルク絞込み量ＶＤＴを増加させ、コンデンサ電圧ＥＦＣあるいは入力電圧ＥＳが７００Ｖとなった時点で、トルク絞込み量ＶＤＴを要求トルクＰＴＲＳと等しくなるまで増加させ、トルク指令ＰＴＲをゼロとする。なお、各数値は一例であり、これに限定されるものではなく、コンデンサ電圧ＥＦＣあるいは入力電圧ＥＳが所定の値を超過した場合に、トルク絞込み量ＶＤＴを増加させる構成であればよい。
【００２９】
次に、動作を説明する。電気車が回生ブレーキを掛けている状態、すなわちインバータ部３０が、電動機４０を回生運転している場合で説明する。このとき、電動機４０からの回生電力は、インバータ部３０を通して、コンバータ部１０に入力される。コンバータ部１０は、その出力電圧ＢＥＳを一定の所定値に維持しながら、電力をコンバータ部１０の出力側から入力側に流し、回生電力を架線１へ回生する。
【００３０】
このとき、架線１に存在している別の加速中の車両が加速を中断する等して、消費される回生電力（以下、回生負荷と記す）が減少し、電動機４０の回生電力よりも回生負荷のほうが小さくなった場合、コンバータ部１０の入力電圧ＥＳＤあるいはコンデンサ電圧ＥＦＣＤが上昇することになる。このままの状態にしておくと、入力電圧ＥＳＤあるいはコンデンサ電圧ＥＦＣＤはさらに上昇し、コンバータ部１０が過電圧検知してトリップしたり、架線１に繋がる機器を損傷する。
【００３１】
一般的には、架線１の公称電圧がＤＣ１５００Ｖである電気鉄道では、架線１の電圧が１７５０Ｖ〜１８００Ｖを上回らないようにする必要がある。そこで、コンバータ制御部１４の電圧指令演算部１５は、コンデンサ電圧ＥＦＣＤが所定の値以上（図２では１７５０Ｖ以上）となった場合に、出力電圧指令ＶＲＥＦを通常の制御値である６００Ｖから増加させ、コンデンサ電圧ＥＦＣＤが１８００Ｖの時点で、出力電圧指令ＶＲＥＦを７００Ｖまで増加させる。これを受け、コンバータ部１０の出力電圧ＢＥＳは、６００Ｖから７００Ｖまで増加する。
【００３２】
このように、コンバータ制御部１４は、出力電圧ＢＥＳを増加させることで、コンデンサ１２のエネルギーを、コンバータ部１０の出力側へ移動させることができるので、コンデンサ電圧ＥＦＣＤの上昇を抑制できる。
【００３３】
また、次のようにインバータ制御部３４ａが回生電力を抑制するように動作するので、コンデンサ電圧ＥＦＣＤの上昇を抑制できる。コンバータ部１０の出力電圧ＢＥＳが増加することにより、インバータ部３０の入力電圧ＥＳあるいはコンデンサ電圧ＥＦＣが増加することになる。回生絞込み量演算部３５ａでは、コンデンサ電圧ＥＦＣあるいは入力電圧ＥＳの増加に基づき、トルク絞込み量ＶＤＴを生成して、トルク指令ＰＴＲを絞る（回生トルク絞込み制御）。
【００３４】
回生絞込み量演算部３５ａでは、コンデンサ電圧ＥＦＣあるいは入力電圧ＥＳが７００Ｖとなった時点で、トルク絞込み量ＶＤＴが要求トルクＰＴＲＳと等しくなるように設定されているので、トルク指令ＰＴＲはゼロとなり、電動機４０の回生トルクはゼロに制御される。これにより、電動機４０からの回生電力はゼロとなり、コンバータ部１０の入力電圧の上昇が抑制される。コンバータ部１０の入力電圧は、１８００Ｖ以上にはならない。
【００３５】
以上に説明したように、本実施の形態にかかる電気車の電力変換装置は、回生負荷が不足して架線電圧が上昇した場合において、コンバータ部１０の出力電圧ＢＥＳを上昇させることで、インバータ部３０の入力電圧を上昇させ、インバータ制御部３４ａにより回生トルクの絞込みが行われるように動作するので、過剰な回生電力によりコンバータ部１０の入力電圧が上昇してコンバータ部１０が過電圧となって装置がトリップしたり、装置が損傷することを回避できる。
【００３６】
また、実施の形態１の構成では、コンバータ部１０とインバータ部３０の間で制御信号のやり取りがないので、配線の削減が可能である。
【００３７】
なお、コンバータ制御部１４は、コンバータ部１０を通過する電力の方向が、コンバータ部１０の出力側から入力側への方向のとき（電動機４０が回生運転のとき）のみ、コンバータ部１０の入力電圧が増加した場合に、出力電圧指令ＶＲＥＦを増加させるように構成してもよい。
【００３８】
このように構成すれば、例えば、電動機４０が力行運転を行っている場合に架線１の電圧が上昇した際、コンバータ部１０の出力電圧ＢＥＳを増加させなくても済む。これにより、電圧を増加させることによるインバータ部３０の回路損失（インバータ回路３３でのスイッチング損失）の増加を回避することができる。
【００３９】
また、以上の説明では、制御指令として出力電圧指令ＶＲＥＦを操作する場合で説明を行ったが、これ以外でもよく、図示しないが、例えばコンバータ回路１３の出力電流の指令である出力電流指令を操作する構成としてもよい。出力電流を操作することでも、間接的に出力電圧ＢＥＳが操作できる。
【００４０】
実施の形態２．
図４は、本発明の実施の形態２における電気車の電力変換装置の構成例を示す図である。図４は図１に準じたものであるので、図１と異なる点のみを説明する。
【００４１】
図４に示す形態は、図１の形態と比較して、コンバータ部１０の入力電圧ＥＳＤ、コンバータ部１０のコンデンサ電圧ＥＦＣＤを、インバータ部３０のインバータ制御部３４ｂに入力する構成としている点が異なる。
【００４２】
次に、インバータ制御部３４ｂの構成を説明する。図５は、本発明の実施の形態２におけるインバータ制御部３４ｂの構成例を示す図である。インバータ制御部３４ｂには、コンバータ部１０のコンデンサ電圧ＥＦＣＤあるいは入力電圧ＥＳＤが入力される。インバータ制御部３４ｂは、コンデンサ電圧ＥＦＣＤあるいは入力電圧ＥＳＤに基づいてトルク絞込み量ＶＤＴを生成する回生絞込み量演算部３５ｂと、図示しない外部の制御部で生成された回生ブレーキトルクの要求値である要求トルクＰＴＲＳからトルク絞込み量ＶＤＴを減算してトルク指令ＰＴＲとして出力する減算器３６と、トルク指令ＰＴＲに基づいて、電動機４０がトルク指令ＰＴＲどおりの回生トルクを発生するようにトルク制御を行うトルク制御部３７と、から構成される。
【００４３】
回生絞込み量演算部３５ｂは、例えばコンデンサ電圧ＥＦＣＤあるいは入力電圧ＥＳＤが１７５０Ｖ以下の領域では、トルク絞込み量ＶＤＴをゼロとする。この場合、要求トルクＰＴＲＳ＝トルク指令ＰＴＲとなる。
【００４４】
また、回生絞込み量演算部３５ｂは、例えばコンデンサ電圧ＥＦＣＤあるいは入力電圧ＥＳＤが１７５０Ｖ以上の領域では、トルク絞込み量ＶＤＴを増加させ、コンデンサ電圧ＥＦＣＤあるいは入力電圧ＥＳＤが１８００Ｖとなった時点で、トルク絞込み量ＶＤＴを要求トルクＰＴＲＳと等しくなるまで増加させ、トルク指令ＰＴＲをゼロとする。なお、各数値は一例であり、これに限定されるものではなく、コンデンサ電圧ＥＦＣＤあるいは入力電圧ＥＳＤが所定の値を超過した場合に、トルク絞込み量ＶＤＴを増加させる構成であればよい。
【００４５】
次に、動作を説明する。電気車が回生ブレーキを掛けている状態、すなわちインバータ部３０が、電動機４０を回生運転している場合で説明する。このとき、電動機４０からの回生電力は、インバータ部３０を通して、コンバータ部１０に入力される。コンバータ部１０は、その出力電圧ＢＥＳを一定の所定値に維持しながら、電力をコンバータ部１０の出力側から入力側に流し、回生電力を架線１へ回生する。
【００４６】
このとき、架線１に存在している別の加速中の車両が加速を中断する等して、消費される回生電力（以下、回生負荷と記す）が減少し、電動機４０の回生電力よりも回生負荷のほうが小さくなった場合、コンバータ部１０の入力電圧ＥＳＤ、コンデンサ電圧ＥＦＣＤが上昇することになる。このままの状態としておくと、入力電圧ＥＳＤ、コンデンサ電圧ＥＦＣＤはさらに上昇し、コンバータ部１０が過電圧検知してトリップしたり、架線１に繋がる機器を損傷する。
【００４７】
実施の形態２の構成では、コンバータ部１０の入力電圧ＥＳＤあるいはコンデンサ電圧ＥＦＣＤをインバータ制御部３４ｂに入力する構成とし、回生絞込み量演算部３５ｂでは、コンデンサ電圧ＥＦＣＤあるいは入力電圧ＥＳＤの増加に基づき、トルク絞込み量ＶＤＴを生成して、トルク指令ＰＴＲを絞る構成としている（回生トルク絞込み制御）。
【００４８】
回生絞込み量演算部３５ｂでは、コンデンサ電圧ＥＦＣＤあるいは入力電圧ＥＳＤが１８００Ｖとなった時点で、トルク絞込み量ＶＤＴは要求トルクＰＴＲＳと等しくなるように設定しているので、トルク指令ＰＴＲはゼロとなり、電動機４０の回生トルクはゼロに制御される。これにより、電動機４０からの回生電力はゼロとなり、コンバータ部１０の入力電圧の上昇が抑制される。コンバータ部１０の入力電圧は１８００Ｖ以上にはならない。
【００４９】
以上に説明したように、本実施の形態にかかる電気車の電力変換装置は、回生負荷が不足して架線電圧が上昇した場合において、インバータ制御部３４ｂにより回生トルクの絞込みが行われるように動作するので、過剰な回生電力によりコンバータ部１０の入力電圧が上昇してコンバータ部１０が過電圧となって装置がトリップしたり、装置が損傷することを回避できる。
【００５０】
また、実施の形態２の構成では、コンバータ部１０とインバータ部３０との間で制御配線が必要となるが、実施の形態１では必要であったコンバータ部１０の出力電圧ＢＥＳを増加させる構成が不要なので、コンバータ制御部１４の構成を簡素化できる。
【００５１】
なお、インバータ制御部３４ａは、インバータ部３０を通過する電力の方向が、インバータ部３０の出力側から入力側への方向のとき（電動機４０が回生運転のとき）のみ、コンバータ部１０の入力電圧が増加した場合に、トルク指令ＰＴＲを絞る構成としてもよい。
【００５２】
このように構成すれば、例えば、電動機４０が力行運転を行っている場合に架線１の電圧が上昇した際、インバータ部３０の回路損失（インバータ回路３３でのスイッチング損失）の増加を回避することができる。
【００５３】
実施の形態３．
実施の形態１、２では、電動機４０が回生運転中に架線１の回生負荷が減少した際、コンバータ部１０の入力電圧が上昇することを抑制する場合について説明したが、電動機４０が力行運転中の場合には、以下の課題がある。
【００５４】
架線１に電力を供給する図示しない変電所の容量が小さい場合や、変電所から電気車までの距離が遠いため架線１での電圧降下が大きい場合や、電動機４０の力行運転中の架線１の電圧が低下する場合がある。この場合、電動機４０の力行電力をそのまま維持したりさらに加速のために電力を多く消費すると、架線１の電圧が低下しすぎてコンバータ部１０の運転が低電圧のため停止したり、架線１から受電する他の車両が低電圧により走行不可能となる場合がある。従って、架線１の電圧が所定値以下となった場合には、電動機４０の力行トルクを引き下げ、力行電力を低減する必要がある。
【００５５】
一般的には、架線１の公称電圧がＤＣ１５００Ｖである電気鉄道では、架線１の電圧が１１００Ｖを下回らないようにする必要がある。ところが、コンバータ部１０は、その出力電圧ＢＥＳを所定の電圧に定電圧制御しているので、入力電圧ＥＳＤあるいはコンデンサ電圧ＥＦＣＤが低下しても、入力電圧に関わらず出力電圧ＢＥＳを一定に制御しようとする。そのため、インバータ部３０は、架線１の電圧低下を把握できないので、電動機４０の力行トルクを低減する等の制御ができず、架線１の電圧降下を抑制できない。
【００５６】
そこで、コンバータ制御部１４は、コンデンサ電圧ＥＦＣＤあるいは入力電圧ＥＳＤが所定の値（例えば１１００Ｖ）以上である場合には、出力電圧指令ＶＲＥＦを第三の設定値である通常の値（例えば６００Ｖ）とし、コンデンサ電圧ＥＦＣＤあるいは入力電圧ＥＳＤが所定の値（例えば１１００Ｖ）を下回った場合には、低下量に基づいて出力電圧指令ＶＲＥＦを第三の設定値よりも小さい第四の設定値（例えば５００Ｖ）に低下させる構成とする。
【００５７】
さらにインバータ制御部３４ａは、インバータ部３０の入力電圧ＥＳあるいはコンデンサ電圧ＥＦＣが所定の値（例えば５５０Ｖ）よりも低下した場合に、低下量に基づいて電動機４０の力行トルク指令を低下させて、力行電力を低減するように制御する構成とする。
【００５８】
以上に説明したように、本実施の形態にかかる電気車の電力変換装置は、架線１の電圧降下時に、コンバータ部１０の出力電圧ＢＥＳを低下させ、インバータ部３０により電動機４０の力行トルクを抑制するようにしたので、電動機４０の力行電力を低減することが可能となり、架線１の電圧降下を抑制でき、コンバータ部１０の運転が低電圧のため停止したり、架線１から受電するほかの車両が低電圧により走行不可能となることを回避できる。
【００５９】
また、実施の形態３の構成では、コンバータ部１０とインバータ部３０の間で制御信号のやり取りがないので、配線の削減が可能である。
【００６０】
なお、コンバータ制御部１４は、コンバータ部１０を通過する電力の方向が、コンバータ部１０の入力側から出力側への方向のとき（電動機４０が力行運転のとき）のみ、コンバータ部１０の入力電圧が低下した場合に、出力電圧指令ＶＲＥＦを低下させるように構成してもよい。
【００６１】
このように構成すれば、例えば電動機４０が回生運転を行っている場合に架線１の電圧が低下した場合において、コンバータ部１０の出力電圧ＢＥＳを低下させなくても済む。これにより、電圧の低下により電動機４０への印加電圧が不足して回生トルクが減少してしまうこと回避することができる。
【００６２】
また、以上の説明では、制御指令として出力電圧指令ＶＲＥＦを操作する場合で説明を行ったが、これ以外でもよく、図示しないが、例えば、コンバータ回路１３の出力電流の指令である出力電流指令を操作する構成としてもよい。出力電流を操作することでも、間接的に出力電圧ＢＥＳが操作できる。
【００６３】
実施の形態４．
実施の形態４は、実施の形態２と同様に、コンバータ部１０の入力電圧ＥＳＤ、コンバータ部１０のコンデンサ電圧ＥＦＣＤを、インバータ部３０のインバータ制御部３４ｂに入力する構成である。
【００６４】
インバータ制御部３４ｂは、コンバータ部１０のコンデンサ電圧ＥＦＣＤあるいは入力電圧ＥＳＤが所定値（例えば１１００Ｖ）よりも低下した場合に、低下量に基づいて電動機４０の力行トルクを低減し（力行トルク低減制御）、力行電力を抑制するように動作する。なお、各数値は一例であり、これに限定されるものではなく、コンデンサ電圧ＥＦＣＤあるいは入力電圧ＥＳＤが所定の値を下回った場合に、電動機４０の力行トルクを抑制させる構成であればよい。
【００６５】
以上に説明したように、本実施の形態にかかる電気車の電力変換装置は、架線１の電圧降下時に、インバータ部３０のインバータ制御部３４ｂにより電動機４０の力行トルクを抑制するようにしたので、電動機４０の力行電力を低減することが可能となり、架線１の電圧降下を抑制でき、コンバータ部１０の運転が低電圧のため停止したり、架線１から受電する他の車両が低電圧により走行不可能となることを回避できる。
【００６６】
なお、インバータ制御部３４ｂは、コンバータ部１０を通過する電力の方向が、コンバータ部１０の入力側から出力側への方向のとき（電動機４０が力行運転のとき）のみ、コンバータ部１０の入力電圧が低下した場合に、電動機４０の力行トルクを低下させるように構成してもよい。
【００６７】
このように構成すれば、例えば電動機４０が回生運転を行っている場合に架線１の電圧が低下した場合において、電動機４０の回生トルクを不必要に低減してしまうこと回避することができる。
【００６８】
また、実施の形態４の構成では、コンバータ部１０とインバータ部３０との間で制御配線が必要となるが、実施の形態３では必要であったコンバータ部１０の出力電圧ＢＥＳを低下させる構成が不要なので、コンバータ制御部１４の構成を簡素化できる。
【００６９】
以上の実施の形態に示した構成は、本発明の内容の一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、一部を省略する等、変更して構成することも可能であることは言うまでもない。
【産業上の利用可能性】
【００７０】
以上のように、本発明は、電気車の推進制御に供される電力変換装置に適用可能であり、特に、好適な回生絞込み制御を行うことができる発明として有用である。
【符号の説明】
【００７１】
１  架線
２  集電装置
３  車輪
４  レール
１０  コンバータ部（第一の電力変換部）
１１，３１  リアクトル
１２，３２  コンデンサ
１３  コンバータ回路
１４  コンバータ制御部（第一の制御部）
１５  電圧指令演算部
１６  電圧制御部
３０  インバータ部（第二の電力変換部）
３３  インバータ回路
３４ａ，３４ｂ  インバータ制御部（第二の制御部）
３５ａ，３５ｂ  回生絞込み量演算部
３６  減算器
３７  トルク演算部
４０  電動機
ＢＥＳ  出力電圧
ＥＦＣ，ＥＦＣＤ  コンデンサ電圧
ＥＳ，ＥＳＤ  入力電圧
ＧＤ，ＧＩ  制御信号
ＩＭ  出力電流
ＰＴＲ  トルク指令
ＰＴＲＳ  要求トルク
ＶＤＴ  トルク絞込み量
ＶＲＥＦ  出力電圧指令
【図１】
2011021265.tif 000003
【図２】
2011021265.tif 000004
【図３】
2011021265.tif 000005
【図４】
2011021265.tif 000006
【図５】
2011021265.tif 000007
【手続補正書】
【提出日】平成22年6月22日(2010.6.22)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気車の推進制御に供される電力変換装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般に電気車は、架線からの電力を集電装置で取り入れ、取り入れた電力を使用してインバータ装置等の電力変換装置で電動機を駆動して走行する構成としている。車両にブレーキをかけるときは、電動機を回生運転してブレーキ力を得る、いわゆる回生ブレーキが用いられる。このとき発生する回生電力は、架線や第三軌条等を介して、自車付近に存在する他の力行車両や車両の負荷へ供給され、そこで消費されることになる。
【０００３】
ただし、早朝、夜間や、列車の運行本数の少ない閑散線区では、自車付近に他の車両が存在しない（回生負荷が不足する）場合が発生し、回生ブレーキにより発生した回生電力が十分に消費されない場合がある。他の車両で消費される電力よりも自車の回生電力が大きくなると架線電圧が上昇することになり、架線に接続される種々の機器を過電圧でトリップさせたり破損する恐れがある。
【０００４】
従って、電気車に搭載されるインバータ装置は架線電圧等（架線電圧または架線電圧に相当する例えば、インバータ装置の入力側のフィルタコンデンサ電圧）を検出する電圧検出器を有しており、架線電圧等が上昇して所定値を超過した場合に、回生ブレーキ力を抑制して回生電力の発生を抑制する制御を行い、架線電圧等を規定値以上に上昇させない回生絞込み制御を動作させる。
【０００５】
ここで、第二の電力変換部であるインバータ装置の入力電圧仕様が架線電圧よりも低い場合（例えば６００Ｖ仕様）においては、インバータ装置の入力側に第一の電力変換部であるコンバータ装置を接続して、このコンバータ装置を用いて架線電圧を降圧、定電圧制御してインバータ装置に電圧を供給する主回路構成とする場合が考えられる。
【０００６】
例えば、架線電圧の公称値がＤＣ１５００Ｖのシステムにおいて、コンバータ装置でその出力電圧をＤＣ６００Ｖ程度まで降圧して定電圧制御し、前記インバータ装置にこれを入力する構成がある。
【０００７】
このような主回路構成のシステムにおいては、回生負荷が不足して架線電圧が上昇した場合においても、コンバータ装置の出力電圧が一定に維持されるよう定電圧制御されるため、インバータ装置の入力電圧が変化せず、回生絞込み制御が動作しない。そのため、回生電力が過剰となり、コンバータ装置の入力電圧が上昇、コンバータ装置の入力が過電圧となって、コンバータ装置が過電圧検知してトリップしたり、架線に繋がる機器を損傷する可能性がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００２−２５２９０２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、上記特許文献１に示されるシステムには、インバータ装置の入力が架線電圧であり、架線電圧をコンバータ装置で降圧しインバータ装置へ入力する際の回生絞込み制御の方法が開示されていない。
【００１０】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、インバータ装置の入力側に第一の電力変換部であるコンバータ装置を接続して、このコンバータ装置を用いて架線電圧を降圧、定電圧制御してインバータ装置に電圧を供給する主回路構成である場合において、好適な回生絞込み制御を行うことを可能とする電気車の電力変換装置を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、直流電圧が入力され、所定の値に制御された直流電圧を出力する第一の電力変換部と、前記第一の電力変換部の出力側に接続され、前記第一の電力変換部からの直流電力を交流に変換し電動機を駆動する第二の電力変換部とからなる電気車の電力変換装置において、前記第一の電力変換部は、前記第一の電力変換部の出力電圧の状態を操作する制御指令を生成する第一の制御部を有し、前記第一の制御部は、前記第一の電力変換部の出力電圧の状態を前記第二の電力変換部の回生トルクの絞り込みを実行可能に調整した制御指令を生成すること、を特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
この発明によれば、インバータ装置の入力側に第一の電力変換部であるコンバータ装置を接続して、このコンバータ装置を用いて架線電圧を降圧、定電圧制御してインバータ装置に電圧を供給する主回路構成である場合において、好適な回生絞込み制御を行うことができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】図１は、本発明の実施の形態１における電気車の電力変換装置の構成例を示す図である。
【図２】図２は、本発明の実施の形態１におけるコンバータ制御部の構成例を示す図である。
【図３】図３は、本発明の実施の形態１におけるインバータ制御部の構成例を示す図である。
【図４】図４は、本発明の実施の形態２における電気車の電力変換装置の構成例を示す図である。
【図５】図５は、本発明の実施の形態２におけるインバータ制御部の構成例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下に、本発明にかかる電気車の電力変換装置の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
【００１５】
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１における電気車の電力変換装置の構成例を示す図である。図１に示すように、図示しない変電所からの電力は、架線１から集電装置２を介して、第一の電力変換部であるコンバータ部１０に入力される。コンバータ部１０からのリターン電流は、車輪３を経由してレール４に接続され、図示しない変電所の負側へ戻る。
【００１６】
コンバータ部１０は、リアクトル１１とコンデンサ１２からなる入力フィルタと、入力フィルタの後段に接続されたコンバータ回路１３と、第一の制御部であるコンバータ制御部１４とからなる。なお、コンバータ回路１３は、双方向昇降圧チョッパ回路が好適であり、その回路構成は公知であるので割愛する。またコンバータ回路１３には、その出力電圧や電流を平滑化するためのリアクトルやコンデンサからなる出力フィルタ回路を含む場合が一般的である。
【００１７】
コンバータ制御部１４には、コンバータ部１０の入力電圧ＥＳＤと、コンデンサ１２の電圧ＥＦＣＤと、コンバータ回路１３の出力電圧ＢＥＳとが入力され、コンバータ制御部１４は、コンバータ回路１３の内部のスイッチング素子への制御信号ＧＤを出力する。
【００１８】
コンバータ制御部１４は、コンバータ回路１３の出力電圧ＢＥＳが所定の値となるように制御する。詳細は後述する。
【００１９】
コンバータ部１０の出力には、第二の電力変換部であるインバータ部３０が接続される。インバータ部３０は、リアクトル３１とコンデンサ３２からなる入力フィルタと、入力フィルタの後段に接続されたインバータ回路３３と、第二の制御部であるインバータ制御部３４ａとからなる。なお、インバータ回路３３は、電圧形ＰＷＭインバータ回路が好適であり、その回路構成は公知であるので割愛する。
【００２０】
インバータ制御部３４ａには、インバータ部３０の入力電圧ＥＳとコンデンサ３２の電圧ＥＦＣと、インバータ回路３３の出力電流ＩＭとが入力され、インバータ制御部３４ａは、インバータ回路３３の内部のスイッチング素子への制御信号ＧＩを出力する。
【００２１】
インバータ制御部３４ａは、後述する電動機４０がトルク指令どおりのトルクを発生するように、インバータ回路３３の出力電流と出力電圧を制御する。詳細は後述する。
【００２２】
次に、コンバータ制御部１４の構成を説明する。図２は、本発明の実施の形態１におけるコンバータ制御部１４の構成例を示す図である。コンバータ制御部１４には、コンデンサ電圧ＥＦＣＤまたは入力電圧ＥＳＤが入力される。コンバータ制御部１４は、第一の電力変換部の出力電圧の状態を操作する制御指令である出力電圧指令ＶＲＥＦを生成する電圧指令演算部１５と、出力電圧指令ＶＲＥＦに基づき、コンバータ部１０の出力電圧ＢＥＳが出力電圧指令ＶＲＥＦに一致するように電圧制御を行う電圧制御部１６と、から構成される。
【００２３】
電圧指令演算部１５は、例えば、コンデンサ電圧ＥＦＣＤが１７５０Ｖ以下の領域では、出力電圧指令ＶＲＥＦを、通常値であり第一の設定値である６００Ｖとする。
【００２４】
また、電圧指令演算部１５は、例えば、コンデンサ電圧ＥＦＣＤが１７５０Ｖを超過した場合、出力電圧指令ＶＲＥＦを６００Ｖから増加させ、コンデンサ電圧ＥＦＣＤが１８００Ｖとなると、出力電圧指令ＶＲＥＦを第二の設定値である７００Ｖまで増加させる。
【００２５】
なお、各数値は一例であり、これに限定されるものではなく、コンデンサ電圧ＥＦＣＤあるいは入力電圧ＥＳＤが所定の値を超過した場合に、出力電圧指令ＶＲＥＦを増加させる構成であればよい。
【００２６】
次に、インバータ制御部３４ａの構成を説明する。図３は、本発明の実施の形態１におけるインバータ制御部３４ａの構成例を示す図である。インバータ制御部３４ａには、コンデンサ電圧ＥＦＣあるいはインバータ部３０の入力電圧ＥＳが入力される。インバータ制御部３４ａは、コンデンサ電圧ＥＦＣあるいは入力電圧ＥＳに基づいてトルク絞込み量ＶＤＴを生成する回生絞込み量演算部３５ａと、図示しない外部の制御部で生成された回生ブレーキトルクの要求値である要求トルクＰＴＲＳからトルク絞込み量ＶＤＴを減算してトルク指令ＰＴＲとして出力する減算器３６と、トルク指令ＰＴＲに基づいて、電動機４０がトルク指令ＰＴＲどおりの回生トルクを発生するようにトルク制御を行うトルク制御部３７と、から構成される。
【００２７】
回生絞込み量演算部３５ａは、例えば、コンデンサ電圧ＥＦＣあるいは入力電圧ＥＳが６５０Ｖ以下の領域では、トルク絞込み量ＶＤＴをゼロとする。この場合、要求トルクＰＴＲＳ＝トルク指令ＰＴＲとなる。
【００２８】
また、回生絞込み量演算部３５ａは、例えば、コンデンサ電圧ＥＦＣあるいは入力電圧ＥＳが６５０Ｖ以上の領域では、トルク絞込み量ＶＤＴを増加させ、コンデンサ電圧ＥＦＣあるいは入力電圧ＥＳが７００Ｖとなった時点で、トルク絞込み量ＶＤＴを要求トルクＰＴＲＳと等しくなるまで増加させ、トルク指令ＰＴＲをゼロとする。なお、各数値は一例であり、これに限定されるものではなく、コンデンサ電圧ＥＦＣあるいは入力電圧ＥＳが所定の値を超過した場合に、トルク絞込み量ＶＤＴを増加させる構成であればよい。
【００２９】
次に、動作を説明する。電気車が回生ブレーキを掛けている状態、すなわちインバータ部３０が、電動機４０を回生運転している場合で説明する。このとき、電動機４０からの回生電力は、インバータ部３０を通して、コンバータ部１０に入力される。コンバータ部１０は、その出力電圧ＢＥＳを一定の所定値に維持しながら、電力をコンバータ部１０の出力側から入力側に流し、回生電力を架線１へ回生する。
【００３０】
このとき、架線１に存在している別の加速中の車両が加速を中断する等して、消費される回生電力（以下、回生負荷と記す）が減少し、電動機４０の回生電力よりも回生負荷のほうが小さくなった場合、コンバータ部１０の入力電圧ＥＳＤあるいはコンデンサ電圧ＥＦＣＤが上昇することになる。このままの状態にしておくと、入力電圧ＥＳＤあるいはコンデンサ電圧ＥＦＣＤはさらに上昇し、コンバータ部１０が過電圧検知してトリップしたり、架線１に繋がる機器を損傷する。
【００３１】
一般的には、架線１の公称電圧がＤＣ１５００Ｖである電気鉄道では、架線１の電圧が１７５０Ｖ〜１８００Ｖを上回らないようにする必要がある。そこで、コンバータ制御部１４の電圧指令演算部１５は、コンデンサ電圧ＥＦＣＤが所定の値以上（図２では１７５０Ｖ以上）となった場合に、出力電圧指令ＶＲＥＦを通常の制御値である６００Ｖから増加させ、コンデンサ電圧ＥＦＣＤが１８００Ｖの時点で、出力電圧指令ＶＲＥＦを７００Ｖまで増加させる。これを受け、コンバータ部１０の出力電圧ＢＥＳは、６００Ｖから７００Ｖまで増加する。
【００３２】
このように、コンバータ制御部１４は、出力電圧ＢＥＳを増加させることで、コンデンサ１２のエネルギーを、コンバータ部１０の出力側へ移動させることができるので、コンデンサ電圧ＥＦＣＤの上昇を抑制できる。
【００３３】
また、次のようにインバータ制御部３４ａが回生電力を抑制するように動作するので、コンデンサ電圧ＥＦＣＤの上昇を抑制できる。コンバータ部１０の出力電圧ＢＥＳが増加することにより、インバータ部３０の入力電圧ＥＳあるいはコンデンサ電圧ＥＦＣが増加することになる。回生絞込み量演算部３５ａでは、コンデンサ電圧ＥＦＣあるいは入力電圧ＥＳの増加に基づき、トルク絞込み量ＶＤＴを生成して、トルク指令ＰＴＲを絞る（回生トルク絞込み制御）。
【００３４】
回生絞込み量演算部３５ａでは、コンデンサ電圧ＥＦＣあるいは入力電圧ＥＳが７００Ｖとなった時点で、トルク絞込み量ＶＤＴが要求トルクＰＴＲＳと等しくなるように設定されているので、トルク指令ＰＴＲはゼロとなり、電動機４０の回生トルクはゼロに制御される。これにより、電動機４０からの回生電力はゼロとなり、コンバータ部１０の入力電圧の上昇が抑制される。コンバータ部１０の入力電圧は、１８００Ｖ以上にはならない。
【００３５】
以上に説明したように、本実施の形態にかかる電気車の電力変換装置は、回生負荷が不足して架線電圧が上昇した場合において、コンバータ部１０の出力電圧ＢＥＳを上昇させることで、インバータ部３０の入力電圧を上昇させ、インバータ制御部３４ａにより回生トルクの絞込みが行われるように動作するので、過剰な回生電力によりコンバータ部１０の入力電圧が上昇してコンバータ部１０が過電圧となって装置がトリップしたり、装置が損傷することを回避できる。
【００３６】
また、実施の形態１の構成では、コンバータ部１０とインバータ部３０の間で制御信号のやり取りがないので、配線の削減が可能である。
【００３７】
なお、コンバータ制御部１４は、コンバータ部１０を通過する電力の方向が、コンバータ部１０の出力側から入力側への方向のとき（電動機４０が回生運転のとき）のみ、コンバータ部１０の入力電圧が増加した場合に、出力電圧指令ＶＲＥＦを増加させるように構成してもよい。
【００３８】
このように構成すれば、例えば、電動機４０が力行運転を行っている場合に架線１の電圧が上昇した際、コンバータ部１０の出力電圧ＢＥＳを増加させなくても済む。これにより、電圧を増加させることによるインバータ部３０の回路損失（インバータ回路３３でのスイッチング損失）の増加を回避することができる。
【００３９】
また、以上の説明では、制御指令として出力電圧指令ＶＲＥＦを操作する場合で説明を行ったが、これ以外でもよく、図示しないが、例えばコンバータ回路１３の出力電流の指令である出力電流指令を操作する構成としてもよい。出力電流を操作することでも、間接的に出力電圧ＢＥＳが操作できる。
【００４０】
実施の形態２．
図４は、本発明の実施の形態２における電気車の電力変換装置の構成例を示す図である。図４は図１に準じたものであるので、図１と異なる点のみを説明する。
【００４１】
図４に示す形態は、図１の形態と比較して、コンバータ部１０の入力電圧ＥＳＤ、コンバータ部１０のコンデンサ電圧ＥＦＣＤを、インバータ部３０のインバータ制御部３４ｂに入力する構成としている点が異なる。
【００４２】
次に、インバータ制御部３４ｂの構成を説明する。図５は、本発明の実施の形態２におけるインバータ制御部３４ｂの構成例を示す図である。インバータ制御部３４ｂには、コンバータ部１０のコンデンサ電圧ＥＦＣＤあるいは入力電圧ＥＳＤが入力される。インバータ制御部３４ｂは、コンデンサ電圧ＥＦＣＤあるいは入力電圧ＥＳＤに基づいてトルク絞込み量ＶＤＴを生成する回生絞込み量演算部３５ｂと、図示しない外部の制御部で生成された回生ブレーキトルクの要求値である要求トルクＰＴＲＳからトルク絞込み量ＶＤＴを減算してトルク指令ＰＴＲとして出力する減算器３６と、トルク指令ＰＴＲに基づいて、電動機４０がトルク指令ＰＴＲどおりの回生トルクを発生するようにトルク制御を行うトルク制御部３７と、から構成される。
【００４３】
回生絞込み量演算部３５ｂは、例えばコンデンサ電圧ＥＦＣＤあるいは入力電圧ＥＳＤが１７５０Ｖ以下の領域では、トルク絞込み量ＶＤＴをゼロとする。この場合、要求トルクＰＴＲＳ＝トルク指令ＰＴＲとなる。
【００４４】
また、回生絞込み量演算部３５ｂは、例えばコンデンサ電圧ＥＦＣＤあるいは入力電圧ＥＳＤが１７５０Ｖ以上の領域では、トルク絞込み量ＶＤＴを増加させ、コンデンサ電圧ＥＦＣＤあるいは入力電圧ＥＳＤが１８００Ｖとなった時点で、トルク絞込み量ＶＤＴを要求トルクＰＴＲＳと等しくなるまで増加させ、トルク指令ＰＴＲをゼロとする。なお、各数値は一例であり、これに限定されるものではなく、コンデンサ電圧ＥＦＣＤあるいは入力電圧ＥＳＤが所定の値を超過した場合に、トルク絞込み量ＶＤＴを増加させる構成であればよい。
【００４５】
次に、動作を説明する。電気車が回生ブレーキを掛けている状態、すなわちインバータ部３０が、電動機４０を回生運転している場合で説明する。このとき、電動機４０からの回生電力は、インバータ部３０を通して、コンバータ部１０に入力される。コンバータ部１０は、その出力電圧ＢＥＳを一定の所定値に維持しながら、電力をコンバータ部１０の出力側から入力側に流し、回生電力を架線１へ回生する。
【００４６】
このとき、架線１に存在している別の加速中の車両が加速を中断する等して、消費される回生電力（以下、回生負荷と記す）が減少し、電動機４０の回生電力よりも回生負荷のほうが小さくなった場合、コンバータ部１０の入力電圧ＥＳＤ、コンデンサ電圧ＥＦＣＤが上昇することになる。このままの状態としておくと、入力電圧ＥＳＤ、コンデンサ電圧ＥＦＣＤはさらに上昇し、コンバータ部１０が過電圧検知してトリップしたり、架線１に繋がる機器を損傷する。
【００４７】
実施の形態２の構成では、コンバータ部１０の入力電圧ＥＳＤあるいはコンデンサ電圧ＥＦＣＤをインバータ制御部３４ｂに入力する構成とし、回生絞込み量演算部３５ｂでは、コンデンサ電圧ＥＦＣＤあるいは入力電圧ＥＳＤの増加に基づき、トルク絞込み量ＶＤＴを生成して、トルク指令ＰＴＲを絞る構成としている（回生トルク絞込み制御）。
【００４８】
回生絞込み量演算部３５ｂでは、コンデンサ電圧ＥＦＣＤあるいは入力電圧ＥＳＤが１８００Ｖとなった時点で、トルク絞込み量ＶＤＴは要求トルクＰＴＲＳと等しくなるように設定しているので、トルク指令ＰＴＲはゼロとなり、電動機４０の回生トルクはゼロに制御される。これにより、電動機４０からの回生電力はゼロとなり、コンバータ部１０の入力電圧の上昇が抑制される。コンバータ部１０の入力電圧は１８００Ｖ以上にはならない。
【００４９】
以上に説明したように、本実施の形態にかかる電気車の電力変換装置は、回生負荷が不足して架線電圧が上昇した場合において、インバータ制御部３４ｂにより回生トルクの絞込みが行われるように動作するので、過剰な回生電力によりコンバータ部１０の入力電圧が上昇してコンバータ部１０が過電圧となって装置がトリップしたり、装置が損傷することを回避できる。
【００５０】
また、実施の形態２の構成では、コンバータ部１０とインバータ部３０との間で制御配線が必要となるが、実施の形態１では必要であったコンバータ部１０の出力電圧ＢＥＳを増加させる構成が不要なので、コンバータ制御部１４の構成を簡素化できる。
【００５１】
なお、インバータ制御部３４ａは、インバータ部３０を通過する電力の方向が、インバータ部３０の出力側から入力側への方向のとき（電動機４０が回生運転のとき）のみ、コンバータ部１０の入力電圧が増加した場合に、トルク指令ＰＴＲを絞る構成としてもよい。
【００５２】
実施の形態３．
実施の形態１、２では、電動機４０が回生運転中に架線１の回生負荷が減少した際、コンバータ部１０の入力電圧が上昇することを抑制する場合について説明したが、電動機４０が力行運転中の場合には、以下の課題がある。
【００５３】
架線１に電力を供給する図示しない変電所の容量が小さい場合や、変電所から電気車までの距離が遠いため架線１での電圧降下が大きい場合や、電動機４０の力行運転中の架線１の電圧が低下する場合がある。この場合、電動機４０の力行電力をそのまま維持したりさらに加速のために電力を多く消費すると、架線１の電圧が低下しすぎてコンバータ部１０の運転が低電圧のため停止したり、架線１から受電する他の車両が低電圧により走行不可能となる場合がある。従って、架線１の電圧が所定値以下となった場合には、電動機４０の力行トルクを引き下げ、力行電力を低減する必要がある。
【００５４】
一般的には、架線１の公称電圧がＤＣ１５００Ｖである電気鉄道では、架線１の電圧が１１００Ｖを下回らないようにする必要がある。ところが、コンバータ部１０は、その出力電圧ＢＥＳを所定の電圧に定電圧制御しているので、入力電圧ＥＳＤあるいはコンデンサ電圧ＥＦＣＤが低下しても、入力電圧に関わらず出力電圧ＢＥＳを一定に制御しようとする。そのため、インバータ部３０は、架線１の電圧低下を把握できないので、電動機４０の力行トルクを低減する等の制御ができず、架線１の電圧降下を抑制できない。
【００５５】
そこで、コンバータ制御部１４は、コンデンサ電圧ＥＦＣＤあるいは入力電圧ＥＳＤが所定の値（例えば１１００Ｖ）以上である場合には、出力電圧指令ＶＲＥＦを第三の設定値である通常の値（例えば６００Ｖ）とし、コンデンサ電圧ＥＦＣＤあるいは入力電圧ＥＳＤが所定の値（例えば１１００Ｖ）を下回った場合には、低下量に基づいて出力電圧指令ＶＲＥＦを第三の設定値よりも小さい第四の設定値（例えば５００Ｖ）に低下させる構成とする。
【００５６】
さらにインバータ制御部３４ａは、インバータ部３０の入力電圧ＥＳあるいはコンデンサ電圧ＥＦＣが所定の値（例えば５５０Ｖ）よりも低下した場合に、低下量に基づいて電動機４０の力行トルク指令を低下させて、力行電力を低減するように制御する構成とする。
【００５７】
以上に説明したように、本実施の形態にかかる電気車の電力変換装置は、架線１の電圧降下時に、コンバータ部１０の出力電圧ＢＥＳを低下させ、インバータ部３０により電動機４０の力行トルクを抑制するようにしたので、電動機４０の力行電力を低減することが可能となり、架線１の電圧降下を抑制でき、コンバータ部１０の運転が低電圧のため停止したり、架線１から受電するほかの車両が低電圧により走行不可能となることを回避できる。
【００５８】
また、実施の形態３の構成では、コンバータ部１０とインバータ部３０の間で制御信号のやり取りがないので、配線の削減が可能である。
【００５９】
なお、コンバータ制御部１４は、コンバータ部１０を通過する電力の方向が、コンバータ部１０の入力側から出力側への方向のとき（電動機４０が力行運転のとき）のみ、コンバータ部１０の入力電圧が低下した場合に、出力電圧指令ＶＲＥＦを低下させるように構成してもよい。
【００６０】
このように構成すれば、例えば電動機４０が回生運転を行っている場合に架線１の電圧が低下した場合において、コンバータ部１０の出力電圧ＢＥＳを低下させなくても済む。これにより、電圧の低下により電動機４０への印加電圧が不足して回生トルクが減少してしまうこと回避することができる。
【００６１】
また、以上の説明では、制御指令として出力電圧指令ＶＲＥＦを操作する場合で説明を行ったが、これ以外でもよく、図示しないが、例えば、コンバータ回路１３の出力電流の指令である出力電流指令を操作する構成としてもよい。出力電流を操作することでも、間接的に出力電圧ＢＥＳが操作できる。
【００６２】
実施の形態４．
実施の形態４は、実施の形態２と同様に、コンバータ部１０の入力電圧ＥＳＤ、コンバータ部１０のコンデンサ電圧ＥＦＣＤを、インバータ部３０のインバータ制御部３４ｂに入力する構成である。
【００６３】
インバータ制御部３４ｂは、コンバータ部１０のコンデンサ電圧ＥＦＣＤあるいは入力電圧ＥＳＤが所定値（例えば１１００Ｖ）よりも低下した場合に、低下量に基づいて電動機４０の力行トルクを低減し（力行トルク低減制御）、力行電力を抑制するように動作する。なお、各数値は一例であり、これに限定されるものではなく、コンデンサ電圧ＥＦＣＤあるいは入力電圧ＥＳＤが所定の値を下回った場合に、電動機４０の力行トルクを抑制させる構成であればよい。
【００６４】
以上に説明したように、本実施の形態にかかる電気車の電力変換装置は、架線１の電圧降下時に、インバータ部３０のインバータ制御部３４ｂにより電動機４０の力行トルクを抑制するようにしたので、電動機４０の力行電力を低減することが可能となり、架線１の電圧降下を抑制でき、コンバータ部１０の運転が低電圧のため停止したり、架線１から受電する他の車両が低電圧により走行不可能となることを回避できる。
【００６５】
なお、インバータ制御部３４ｂは、コンバータ部１０を通過する電力の方向が、コンバータ部１０の入力側から出力側への方向のとき（電動機４０が力行運転のとき）のみ、コンバータ部１０の入力電圧が低下した場合に、電動機４０の力行トルクを低下させるように構成してもよい。
【００６６】
このように構成すれば、例えば電動機４０が回生運転を行っている場合に架線１の電圧が低下した場合において、電動機４０の回生トルクを低減してしまうこと回避することができる。
【００６７】
また、実施の形態４の構成では、コンバータ部１０とインバータ部３０との間で制御配線が必要となるが、実施の形態３では必要であったコンバータ部１０の出力電圧ＢＥＳを低下させる構成が不要なので、コンバータ制御部１４の構成を簡素化できる。
【００６８】
以上の実施の形態に示した構成は、本発明の内容の一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、一部を省略する等、変更して構成することも可能であることは言うまでもない。
【産業上の利用可能性】
【００６９】
以上のように、本発明は、電気車の推進制御に供される電力変換装置に適用可能であり、特に、好適な回生絞込み制御を行うことができる発明として有用である。
【符号の説明】
【００７０】
１  架線
２  集電装置
３  車輪
４  レール
１０  コンバータ部（第一の電力変換部）
１１，３１  リアクトル
１２，３２  コンデンサ
１３  コンバータ回路
１４  コンバータ制御部（第一の制御部）
１５  電圧指令演算部
１６  電圧制御部
３０  インバータ部（第二の電力変換部）
３３  インバータ回路
３４ａ，３４ｂ  インバータ制御部（第二の制御部）
３５ａ，３５ｂ  回生絞込み量演算部
３６  減算器
３７  トルク演算部
４０  電動機
ＢＥＳ  出力電圧
ＥＦＣ，ＥＦＣＤ  コンデンサ電圧
ＥＳ，ＥＳＤ  入力電圧
ＧＤ，ＧＩ  制御信号
ＩＭ  出力電流
ＰＴＲ  トルク指令
ＰＴＲＳ  要求トルク
ＶＤＴ  トルク絞込み量
ＶＲＥＦ  出力電圧指令
【手続補正２】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流電圧が入力され、所定の値に制御された直流電圧を出力する第一の電力変換部と、前記第一の電力変換部の出力側に接続され、前記第一の電力変換部からの直流電力を交流に変換し電動機を駆動する第二の電力変換部とからなる電気車の電力変換装置において、
前記第一の電力変換部は、前記第一の電力変換部の出力電圧の状態を操作する制御指令を生成する第一の制御部を有し、
前記第一の制御部は、前記第一の電力変換部の出力電圧の状態を前記第二の電力変換部の回生トルクの絞り込みを実行可能に調整した制御指令を生成すること、
を特徴とする電気車の電力変換装置。
【請求項２】
直流電圧が入力され、所定の値に制御された直流電圧を出力する第一の電力変換部と、前記第一の電力変換部の出力側に接続され、前記第一の電力変換部からの直流電力を交流に変換し電動機を駆動する第二の電力変換部とからなる電気車の電力変換装置において、
前記第一の電力変換部は、前記第一の電力変換部の入力側で検出された電圧に基づき前記第一の電力変換部の出力電圧の状態を操作する制御指令を生成する第一の制御部を有し、
前記第二の電力変換部は、前記第一の電力変換部の出力側で検出された電圧が所定の値より増加した場合、前記電動機のトルクを減少させる回生トルク絞込み制御を実行する第二の制御部を有すること、
を特徴とする電気車の電力変換装置。
【請求項３】
直流電圧が入力され、所定の値に制御された直流電圧を出力する第一の電力変換部と、前記第一の電力変換部の出力側に接続され、前記第一の電力変換部からの直流電力を交流に変換し電動機を駆動する第二の電力変換部とからなる電気車の電力変換装置において、
前記第二の電力変換部は、前記第一の電力変換部の入力側で検出された電圧が所定の値より増加した場合、前記電動機のトルクを減少させる回生トルク絞込み制御を実行する第二の制御部を有すること、
を特徴とする電気車の電力変換装置。
【請求項４】
前記制御指令は、前記第一の電力変換部の出力電圧の指令である出力電圧指令であることを特徴とする請求項１または２に記載の電気車の電力変換装置。
【請求項５】
前記制御指令は、前記第一の電力変換部の出力電流の指令である出力電流指令であることを特徴とする請求項１または２に記載の電気車の電力変換装置。
【請求項６】
前記第一の制御部は、前記第一の電力変換部の入力側で検出された電圧が増加した場合に、前記第一の電力変換部の出力電圧が増加する前記制御指令を操作する構成としたことを特徴とする請求項１または２に記載の電気車の電力変換装置。
【請求項７】
前記第一の制御部は、前記第一の電力変換部の入力側で検出された電圧が所定値以下である場合、前記制御指令を第一の設定値とし、前記第一の電力変換部の入力側で検出された電圧が前記所定値を超過した場合、超過した量に基づいて前記制御指令を前記第一の設定値よりも大きい第二の設定値とすることを特徴とする請求項１または２に記載の電気車の電力変換装置。
【請求項８】
前記第一の制御部は、前記第一の電力変換部を通過する電力の方向が、前記第一の電力変換部の出力側から入力側への方向のときのみ、前記第一の電力変換部の入力側で検出された電圧が増加した場合に、前記制御指令を操作する構成としたことを特徴とする請求項１または２に記載の電気車の電力変換装置。
【請求項９】
前記第二の制御部は、前記第一の電力変換部の入力側で検出された電圧が所定値より上昇した場合に、前記電動機のトルクを減少させる回生トルク絞込み制御を実行することを特徴とする請求項３に記載の電気車の電力変換装置。
【請求項１０】
前記第二の制御部は、前記第二の電力変換部を通過する電力の方向が、前記第二の電力変換部の出力側から入力側への方向のときのみ、前記第一の電力変換部の入力側で検出された電圧が増加した場合に、前記回生トルク絞込み制御を実行する構成としたことを特徴とする請求項９に記載の電気車の電力変換装置。
【請求項１１】
直流電圧が入力され、所定の値に制御された直流電圧を出力する第一の電力変換部と、前記第一の電力変換部の出力側に接続され、前記第一の電力変換部からの直流電力を交流に変換し電動機を駆動する第二の電力変換部とからなる電気車の電力変換装置において、
前記第一の電力変換部は、前記第一の電力変換部の入力側で検出された電圧に基づき前記第一の電力変換部の出力電圧の状態を操作する制御指令を生成する第一の制御部を有し、
前記第一の制御部は、前記第一の電力変換部の出力電圧の状態を前記第二の電力変換部の力行トルクの絞り込みを実行可能に調整した制御指令を生成すること、
を特徴とする電気車の電力変換装置。
【請求項１２】
直流電圧が入力され、所定の値に制御された直流電圧を出力する第一の電力変換部と、前記第一の電力変換部の出力側に接続され、前記第一の電力変換部からの直流電力を交流に変換し電動機を駆動する第二の電力変換部とからなる電気車の電力変換装置において、
前記第一の電力変換部は、前記第一の電力変換部の入力側で検出された電圧に基づき前記第一の電力変換部の出力電圧の状態を操作する制御指令を生成する第一の制御部を有し、
前記第二の電力変換部は、前記第一の電力変換部の出力側で検出された電圧が所定の値より低下した場合、前記電動機の力行トルクを減少させる制御を実行する第二の制御部を有すること、
を特徴とする電気車の電力変換装置。
【請求項１３】
直流電圧が入力され、所定の値に制御された直流電圧を出力する第一の電力変換部と、前記第一の電力変換部の出力側に接続され、前記第一の電力変換部からの直流電力を交流に変換し電動機を駆動する第二の電力変換部とからなる電気車の電力変換装置において、
前記第二の電力変換部は、前記第一の電力変換部の入力側で検出された電圧が所定値より低下した場合に、前記電動機の力行トルクを減少させる力行トルク低減制御を実行する第二の制御部を有すること、
を特徴とする電気車の電力変換装置。
【請求項１４】
前記第一の制御部は、前記第一の電力変換部の入力側で検出された電圧が所定の値よりも低下した場合に、前記制御指令を操作する構成としたことを特徴とする請求項１１または１２に記載の電気車の電力変換装置。
【請求項１５】
前記第一の制御部は、前記第一の電力変換部の入力側で検出された電圧が所定値以上である場合、前記制御指令を第三の設定値とし、前記第一の電力変換部の入力側で検出された電圧が前記所定値を下回った場合、下回った量に基づいて前記制御指令を前記第三の設定値よりも小さい第四の設定値とすることを特徴とする請求項１１または１２に記載の電気車の電力変換装置。
【請求項１６】
前記第一の制御部は、前記第一の電力変換部を通過する電力の方向が、前記第一の電力変換部の入力側から出力側への方向のときのみ、前記第一の電力変換部の入力側で検出された電圧が所定の値よりも低下した場合に、前記制御指令を操作する構成としたことを特徴とする請求項１１または１２に記載の電気車の電力変換装置。
【請求項１７】
前記第二の制御部は、前記第二の電力変換部を通過する電力の方向が、前記第二の電力変換部の入力側から出力側への方向のときのみ、前記第一の電力変換部の入力側で検出された電圧が所定値より低下した場合に、前記力行トルク低減制御を実行する構成としたことを特徴とする請求項１３に記載の電気車の電力変換装置。
【手続補正３】
【補正対象書類名】要約書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【要約】
【要約】
【課題】好適な回生絞込み制御を行うことを可能とする電気車の電力変換装置を得る。
【解決手段】直流電圧が入力され、所定の値に制御された直流電圧を出力するコンバータ部１０と、コンバータ部１０の出力側に接続され、コンバータ部１０からの直流電力を交流に変換し電動機４０を駆動するインバータ部３０とからなる電気車の電力変換装置において、コンバータ部１０は、コンバータ部１０の出力電圧の状態を操作する制御指令を生成するコンバータ制御部１４を有し、コンバータ制御部１４は、コンバータ部１０の出力電圧の状態をインバータ部３０の回生トルクの絞り込みを実行可能に調整した制御指令を生成する。
【選択図】図１
【手続補正書】
【提出日】平成22年11月22日(2010.11.22)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１１】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、直流電圧が入力され、所定の値に制御された直流電圧を出力する第一の電力変換部と、前記第一の電力変換部の出力側に接続され、前記第一の電力変換部からの直流電力を交流に変換し電動機を駆動する第二の電力変換部とからなる電気車の電力変換装置において、前記第一の電力変換部は、前記第一の電力変換部の入力側で検出された電圧に基づき、前記第一の電力変換部の出力電圧の指令である制御指令を生成する第一の制御部を有し、前記第一の制御部は、前記第一の電力変換部の入力側で検出された電圧が増加した場合に、前記第一の電力変換部の出力電圧が増加するように前記制御指令を操作する構成とし、前記第二の電力変換部は、前記第一の電力変換部の出力側で検出された電圧が所定の値より増加した場合、前記電動機のトルクを減少させる回生トルク絞込み制御を実行する第二の制御部を有すること、を特徴とする。
【手続補正２】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流電圧が入力され、所定の値に制御された直流電圧を出力する第一の電力変換部と、前記第一の電力変換部の出力側に接続され、前記第一の電力変換部からの直流電力を交流に変換し電動機を駆動する第二の電力変換部とからなる電気車の電力変換装置において、
前記第一の電力変換部は、前記第一の電力変換部の入力側で検出された電圧に基づき、前記第一の電力変換部の出力電圧の指令である制御指令を生成する第一の制御部を有し、
前記第一の制御部は、前記第一の電力変換部の入力側で検出された電圧が増加した場合に、前記第一の電力変換部の出力電圧が増加するように前記制御指令を操作する構成とし、
前記第二の電力変換部は、前記第一の電力変換部の出力側で検出された電圧が所定の値より増加した場合、前記電動機のトルクを減少させる回生トルク絞込み制御を実行する第二の制御部を有すること、
を特徴とする電気車の電力変換装置。
【請求項２】
前記第一の制御部は、前記第一の電力変換部の入力側で検出された電圧が所定値以下である場合、前記制御指令を第一の設定値とし、前記第一の電力変換部の入力側で検出された電圧が前記所定値を超過した場合、超過した量に基づいて前記制御指令を前記第一の設定値よりも大きい第二の設定値とすることを特徴とする請求項１に記載の電気車の電力変換装置。
【請求項３】
前記第一の制御部は、前記第一の電力変換部を通過する電力の方向が、前記第一の電力変換部の出力側から入力側への方向のときのみ、前記第一の電力変換部の入力側で検出された電圧が増加した場合に、前記制御指令を操作する構成としたことを特徴とする請求項１に記載の電気車の電力変換装置。 
【国際調査報告】
2011021265.tif 000008
2011021265.tif 000009